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北京邮电大学硕士研究生学位论文 基于o p n e t 的路由协议性能分析 基于o p n e t 的路由协议性能分析 摘要 在复杂的网络拓扑结构中，路由器扮演着重要角色，而运行其上 的路由协议更是网络正常高效运行的关键，因此，路由协议的性能对 于网络效率而言显得非常重要。 本文在阐述网络发展的现状和趋势的基础上，着重分析了两种内 部网关路由选择协议砒p 和o s p f 协议的实现机制和性能特点。对p 协议是基于距离矢量算法的。o s p f 协议是基于链路状态算法的。本 文的工作重点是对上述两种协议分别从类型，封装，路径特征，邻居 发现和支持，路由选择数据的分发，对变化的响应，路由表计算，健 壮性可靠性以及安全性等方面进行了对比分析，并对它们存在的安 全漏洞进行了初步的分析说明。根据以上的分析，通过o n 忸t 软件， 本文设计了一个1 0 k m 1 0 k m 规模大小的网络仿真模型，配置了相应 的流量和i p 地址，并选取了路由协议网络收敛性，协议开销，网络 延时以及链路修复四个仿真性能参数进行仿真，最后通过对仿真结果 的分析得出以下结论：对p 协议适合于网络规模较小、拓扑结构比较 简单、性能要求不严格和易用性要求较高的环境，而o s p f 则适合于 网络规模大、拓扑结构复杂和性能要求高的环境，因此要根据网络特 点合理的选择路由协议。 关键字o p n e t 网络仿真路由协议o s p f 对p 北京邮电大学硕士研究生学位论文基于o p n e t 的路由协议性能分析 a n a l y s i so fp e r f o r m a n c eo fr o u t i n g p r o t o c o lb a s e do no p n e t a b s t r a c t i nc o m p l i c a t e dn e t w o r kt o p o l o g y ；r o u t e r sp l a ya ni m p o r t a n tr o l e ，a n d t h er o u t i n gp r o t o c 0 1 sw h i c hm no nr o u t e r sa r ek e y st oa s s u r ei n t e m e tt o m nn o n n a l l ya n de 伍c i e n t l y t h e r e f o r e ，p e r f b m a n c e so fr o u t i n gp r o t o c o l s a r ei n l p o r t a n ti nt e m so fn e t 、) l ，o r ke 伍c i e n c y o nt h eb a s i so fi l l u s t r a t i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt e n d e n c yo f n e t w o r k ，i nt h i sp 印e rw ep a ym o r ea t t e n t i o no na n a l y s i so fm e c h a n i s m a n dp e r f i o m a n c e so f 觚oi n t 耐o rg a t e w a yp r o t o c 0 1 s pa n do s p f p p r o t o c o l i sb a s e do nt h ed i s t a n c ev e c t o ra l g o r i t h m ，w h i l eo s p fp r o t o c 0 1 i s b a s e do nt h el i n ks t a t ea l g o r i t h m t h ei m p o r t a n tw o r ko ft h i sp 印e ri s m a k i n gc o m p 撕s o nb e 俩e e n 对pa n do s p fi nt e m so fp a t t e m ，n e i g h b o r d i s c o v e e n c 印s u l a t i o n ，p a t hc h a r a c t e r i s t i c ，r e s p o n s e o fc h a n g e s ，r o u t i n g c o n l p u t a t i o n ，t r a n s m i t t i n go fr o u t i n gd a t a ，r o b u s 价e l i a b i l i t ya n ds e c u r i 吼a s w e l la sm a 虹n ge l e m e n t a 巧a n a l y s i so fs e c u r i t yl e a l ( s a c c o r d i n gt ot h e s t a t e dc o n c l u s i o n ，w i t ho p n e tw ed e s i g nan e t w o r ks i i i m l a t i o nm o d e l w h o s es c a l ei s1o k m 1o k m ，a n dw ec o n f i g u r et r a m ca n di pa d d r e s s e s ，a n d t h e nw es e l e c tt h ep e 墒m l a n c ep a r a m e t e r so fr o u t i n gp r o t o c o ln e t w o r k c o n v e 玛e n c e ，p r o t o c o l t r a f j f i c ，n e 觚o r kd e l a y ，l i n kf a i la n d1 i n kr e s t a n ，i nt h e i i i 北京邮电人学硕 研究生学位论文基于o p n e t 的路由协议性能分析 e n d ，w ed r a w t h e f 0 1 1 0 w i n g c o n c l u s i o ni na c c o r dw i t hs i m u l a t i o n r e s u l t s ：砒pp r o t o c 0 1i ss u i t a b l ef o rt 1 1 es m a l ls c a l e d ，s i m p l et o p o l o g y l o w p e r f o 吼a n c ed e m a n da n de a s yu s i n gn e 帆o r ke n v i r o n m e n t ，w h i l eo s p f f i tf o rt h e l a 玛es c a l e d ，c o n l p l i c a t e dt o p o l o g ya n dh i g hp e r f o n n a n c e d e m a n dn e t w o r ke n v i r o n m e n t ，t h e r e f o r e ，w es h o u l ds e l e c tr o u t i n gp r o t o c o l a c c o r d i n gt on e t w o r kt r a i t s k e yw o r d s o p n e t n e t w o r ks i m u l a t i o n r o u t i n gp r o t o c 0 1o s p fr i p i v 北京邮电犬学硕士研究生学位论文 基于o p n e t 的路由协议性能分析 图1 1 图2 1 图2 - 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 - 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图5 1 图5 - 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 - 6 图5 - 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图索引 o s i 七层参考模型与t c p p 等价模型比较- 2 仿真的i 镕c 程9 三类子网模型16 部分通信节点1 7 部分链路模型1 7 建立网络拓扑结构的步骤18 典型的节点模型结构图1 9 r m v l 报文格式2 6 i 唧v 2 报文格式2 8 r j p 的工作流程3 1 o s p f 协议泛洪发起示意图3 5 o s p f 协议收到l s a 泛洪示意图3 6 o s p f 协议l s a 泛洪示意图3 6 o s p f 报文结构3 7 o s p f 协议报文头部结构3 8 l s a 头的结构4 0 网络仿真模型5 0 子网络内的仿真模型5 0 r i p 协议的路由收敛仿真结果5 2 r i p 协议的开销仿真结果5 3 r 口协议延时仿真结果5 4 r 口协议的链路修复仿真结果5 5 5 0 0 秒时的路由表5 5 1 0 0 0 秒时的路由表5 6 1 0 2 8 秒时的路由表恢复正常5 6 o s p f 协议的路由收敛仿真结果5 7 o s p f 协议的开销仿真结果5 8 1 0 2 7 秒时路由表恢复正常5 8 o s p f 协议的链路修复仿真结果5 9 5 0 0 秒时的路由表6 0 1 0 0 0 秒时的路由表6 0 1 0 2 7 秒时路由表恢复正常6 1 v i l 北京邮电大学硕七研究生学位论文基于o p n e t 的路由协 义性能分析 表索引 表2 1 仿真事件的类型及应用1 2 表2 2o p n e tm o d e l e r 建模域1 5 表2 3 建模域与系统层面的对应关系1 5 表2 _ 4 事件与中断2 1 表5 1 口地址分配4 9 v i i i 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 趁盘垫日期：五亟区：主2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 量垒扭日期：至堡：! 呈：圣l 导师签名： 日期：型：堡：2 北京邮电大学硕士学位论文基于0 p n e t 的路由协议性能分析 第一章绪论 1 1 网络发展的现状及趋势 近日，中国互联网络信息中心( c i n i c ：c l l i n ai n t e m e tn 咖o r ki n f o m a t i o n c e n t e r ) 发布了中国互联网络发展状况统计报告。调查报告显示，我国网民 总数已达到2 3 亿，仅以五百万之差紧随美国之后。由此可见，互联网在我国发 展迅速。随着计算机网络的普及，计算机网络的应用向深度和广度不断发展。无 论在经济、军事、教育、购物、生活等各个方面，网络的高效便利使得人们越来 越依赖它。一个以网络为依托的信息化社会已经展现在我们面前。 以网络方式获得信息和交流信息已经成为现代信息社会的一个重要特征。网 络正在逐步改变人们的工作方式和生活方式，随着网络的开放性、共享性、互连 程度扩大，随着网络上各种新业务的兴起，以及各种专用网络的建设，使得网络 效率变得越来越重要，这也是人们越来越关注的问题。 1 1 1 网络的起源及现状 1 1 1 1 计算机网络的起源 互联网实际上是美苏冷战的结果，当苏联率先将第一颗人造地球卫星送入太 空后，美国决定建立美国国防部高级研究计划署( a d v a i l c e dr e s e a r c hp r o i e c t s a g e n c y ，简称a 。砒 a ) ，来保证美国的技术不至于落后于苏联，并且在2 0 世纪 6 0 年代末期建立了只有四台主机的实验性计算机通信网a 删e t 。 a r p a n e t 可以看作是当今e t 的雏形。此后美国国防部高级研究计划署提 出了用于异构网络互连的t c p i p 协议，并于1 9 8 0 年正式投入使用，1 9 8 3 年强 制规定了所有与a 删e t 相连的主机必须采用t c p 1 p 协议，尽管最终由于政 治上和技术上的种种原因，a r p a n e t 计划没有成功，但是它提出的t c p i p 协 议成为后来在计算机网络中占统治地位的网络协议。 美国国家科学基金会n s f 认识到计算机网络对科学研究的重要性，因此从 1 9 8 5 年起，n s f 就围绕其六个大型计算机中心建设计算机网络。1 9 8 6 年，n s f 建立了国家科学基金网n s f n e t ，它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区 网和校园网，覆盖了全美国主要的大学和研究所。1 9 8 7 年针对骨干网速率太低 北京邮电人学硕上学位论文基于o p n e t 的路由协议性能分析 的缺陷，n s f 联合i b m 等公司对主干网进行了升级扩容的工作，改造后的主干 网传输速率从6 4 k b i 讹提高到1 4 4 m b i t s ，提速后的n s f n e t 使得众多的商业用户 从a r p a n e t 网络转移到了n s f n e t ，并最终促使a r p a n e t 结束了自己的使用 寿命而停止了运行。n s f n e t 主要是用于科学研究和教育的信息通路，比较独立， 在它之后出现了用于其他商业目的网络，这些商业性的网络与a r p a n e t 和 n s f n e t 一样是地区性的网络相连，并为客户提供各种各样的服务，并最终逐步 形成了今天的i n t e m e t 【。 1 1 1 2 计算机网络的现状 经过几十年的发展，计算机网络越来越成熟，它采用分层的体系结构来简化 网络实现。为了实现i i l t e n l e t 的计算机之间的通信，必须制定一些规则来规范传 递信息的格式和处理过程，这些规则称为协议( p r o t o c 0 1 ) 。虽然i s o 制定了分层 严格的o s i 参考模型，但是在现实的i n t e m e t 中使用的相对简单的t c p 口参考 模型。图1 1 是以o s i 七层模型为例，显示了i n t e m e t 协议的层次结构。 威用缓 袭豕层 会话洪 运输层 潮络屡 数锻链路堪 物鼷联 s m | t p 、f t p 、t e l n e 嚣 t c p 、u d p i c m p 、r l p 、o s p f 、i p a r p 、p p p 、e m e m e l ( a ) o s i 七层参考模型( b ) t c p i p 等价模型 图1 1o s i 七层参考模型与t c p 佃等价模型比较 在h n 锄e t 中，i p 协议已经成为占统治地位的组网协议，因此从某种程度上 说，i n t 锄e t 就是一个巨大的i p 网络，其性质也已经从最初的研究模型成长为覆 盖全球的数字通信网络。它已将一百多个国家联系起来，数亿人利用它来实现商 业、教育和娱乐等目的。 i n t e m e t 由一种称作路由器的专用计算机连接。当数据从i n t e r l l e t 某一地点向 另一个地点转发时，要由路由器来决定从哪条路径转发以及如何转发。这些告知 北京邮电大学硕士学位论文 基于0 p n e t 的路由协议性能分析 路由器如何选择传输路径的协议，称为路由选择协议。这些协议必须对i n t e n l e t 组织结构的变化做出迅速的反应；此类变化包括传输线路的中断与恢复、路由器 的崩溃、网络规模的改变等等。 在最初的路由器中选择路径的策略主要通过人工设定来完成的，这种路由策 略称为静态路由。随着网络节点的迅猛增加，拓扑结构日益复杂，静态路由已经 难以满足要求，于是能够适应网络拓扑变化的动态路由协议应运而生了。 根据动态路由协议在i p 网络中所起到的作用来看，动态路由协议可以分为 两类：内部网关协议和外部网关协议。内部网关协议( 砷：舒o rg a t e w a yp r o t o c o l ， 简称i g p ) 是用于各个自治系统内部的各个路由器之间的选路协议的集合，包括 r 口和o s p f 等。外部网关协议( e x t e r i o rg a t e w a yp r o t 0 c 0 1 ，简称e g p ) 是用于自 治系统之间的各个路由器之间的选路协议的集合。该协议族目前己经被边界网关 协议( b o r d e rg a t e w a vp r o t o c 0 1 ，简称b g p ) 所代替。 根据动态路由协议使用的算法的不同，动态路由协议可以分为基于距离矢 量路由算法的路由协议( 如r i p 路由协议) 、基于链路状态的路由协议( 如o s p f 路由协议) 以及基于路径矢量路由算法的路由协议( 如b g p 路由协议) 。 1 1 2 网络的发展趋势 尽管目前的i p 网络取得了巨大的成功，但是由于一些先天性的因素，目前 的口网络也暴露出越来越多的问题。目前i p 网络主要采用的是i p v 4 协议，由 于在该协议中地址位数仅为3 2 比特，造成了现在的口地址越来越紧张，并且大 大的限制了节点的移动。另外由于在设计口v 4 协议当初就没有考虑到安全性问 题，造成了目前的口网络安全性很差，也就产生了众多的黑客攻击事件，造成 了巨大的经济损失。对于现有的m 网络，用户业务量的增加造成网络资源相对 使用不平衡，h n e n l e t 的尽力而为服务也远远满足不了诸如远程诊断和i p 电话等 实时业务的要求。 随着科学技术的不断发展和用户需求的不断提高，为了解决p v 4 协议的缺 陷，出现了i p v 6 协议，i p v 6 协议充分吸收了i p v 4 协议的优点，并且很好的解决 了i p v 4 协议的缺陷和不足。i p v 6 相对于i p v 4 主要有以下几个方面的改进眩1 ： 1 m 地址：在i p v 6 协议中，地址的长度从i p v 4 的3 2 比特增加到1 2 8 比特， 这样最大就可以指示2 1 2 8 个i p 地址，足以满足将来的要求。 2 安全性：为了加强i n t e m e t 的安全性，从1 9 9 5 年开始，i e t f 着手研究制 定了用于保护i p 通信的i p 安全( i ps e c u r i t y ，简称i p s e c ) 协议，该协议是口v 6 的一个组成部分。i p s e c 提供了两种安全机制：认证和加密。认证机制使i p 通信 北京邮电人学硕上学位论文基于0 p n e t 的路由协议性能分析 的数据接收方能够确认数据发送方的真实身份以及数据在传输过程中是否遭到 改动。加密机制通过对数据进行编码来保证数据的机密性，以防数据在传输过程 中被他人非法截获而失密。 3 移动口的支持：v 6 的1 2 8 位地址编码使其具备了提供2 1 2 8 个p 地址 的能力，完全可以适应移动口的推广。同时i p v 6 协议中内置的邻接节点自动发 现机制更是可以大大加速和简化移动节点向代理的注册过程。 4 增强性q o s ：m v 6 的一个革新之处在于它增强了对于q o s 的考虑，在 i p 报头中增加了8 比特的业务流类型字段和2 0 比特的流标签字段。通过业务流 类型字段可以定义2 5 6 个级别的优先级的业务类型，可以根据业务的紧急性来确 定数据包的优先级。在i p v 6 中，同一个业务流的所有数据包采用相同的流标签， 这样当路由器检测到相同的流标签的时候就采用相同的路径发出去，而不需要为 每一个数据包重新选择路由，从而大大提高了数据包转发的效率，降低了端到端 的延时。通过使用上面两种技术，在i p v 6 中远程诊断等实时性要求较高的业务 必将得到更加广泛的应用。 从目前大量使用的口网络来看，实际上是一种低速率的网络，数据的交换 大量的在网络的底层进行。下一代的i p 网络的发展趋势就是高速率的i p 数据传 输和交换。根据使用的电信网络技术的不同，主要存在三种发展趋势b 1 ： 1 利用s d h ( s y n c h r o n o u sd i 西t a lh i e r a r c h y ) ：在s d h ( 同步数字序列) 中传送i p ，首先是将i p 封装成p p p ( p e 昏p e e rp r o t o c o l ，端对端协议) 帧，然后 将p p p 帧封装到s d h 帧中进行传输。该方式具有运行花费较少和带宽利用率高 等优点，具有一定的应用前景。 2 利用a t m ( a s v n d 啪n o l l st r a n s 衔m o d e ) ：在a t m 上传输i p 具有良好 的o o s 保证，但是系统过于复杂且花费太大。 3 利用w d m ( w 撕e l e i l g t hd m s i o nm u l t i p l e x i n g ) ：在w d m 上传送i p 是最具有实用价值的技术之一，因为其具有巨大的带宽资源，能够满足下一代口 网络巨大的业务量需求。同时由于它存在多个相互隔离的波道，可以同时传送不 同的业务。 随着i p 网络的快速发展，对路由器技术的发展和创新提供了巨大的发展空 间和挑战，对i p 路由技术的研究不仅是发展经济的需要，更是关系到国家的信 息安全。 1 2 论文内容及工作 本文首先介绍了网络发展的现状和趋势，并介绍了o p n e t 软件及其基本功 北京邮电大学硕上学位论文基于0 p n e t 的路由协议性能分析 能和仿真机制。接下来研究分析了路由协议鼬p 和o s p f 协议的基本原理和实现 机制，并对它们存在的安全漏洞进行了初步的分析研究。之后的章节描述了利用 0 p n e t 软件来仿真实现了关于r i p 和o s p f 协议的性能仿真，本文对于仿真结 果进行了深入的分析和反复试验，并对两个协议性能进行了分析对比。 本文最后，对于本论文做了总结和展望。 在此过程中，作者的主要工作如下： ( 1 ) 研究分析了r i p 协议。 ( 2 ) 研究分析了o s p f 协议。 ( 3 ) 研究学习了o p n e t 仿真工具。 ( 4 ) 利用o p n e t 软件设计实现了网络仿真环境。 ( 5 ) 从路由收敛，协议开销和链路修复三方面仿真比较了r i p 和o s p f 协 议。 ( 6 ) 对仿真结果进行分析总结。 1 3 论文章节安排 第二章对网络仿真及o p n e t 软件的仿真机制及过程进行详细阐述。 第三章研究分析了r i p 和o s p f 路由协议的原理及实现机制。 第四章对这两种路由协议的性能进行了对比分析，并对两种路由协议的安全 性能进行了初步的分析。 第五章描述了o p n e t 模型的设计和建立，并对仿真结果进行了深入的分析。 第六章对于本论文做了总结和展望。 北京邮电大学硕二仁学位论文 基于0 p n e t 的路由协议性能分析 第二章o n 忸t 网络建模及仿真方法 2 1 网络仿真概述 随着通信网络规模日趋庞大，新技术不断出现，网络应用同益复杂，网络的 性能也变得越来越不可预测，有效评估和研究网络技术、协议、性能成了迫切的 需求。因此，越来越需要一种新的网络规划和设计手段来提高网络设计的客观性 和设计结果的可靠性，以便降低网络建设的投资风险。由此，网络仿真技术应运 而生。 2 1 1 网络仿真的概念及应用 网络仿真技术是一种通过建立网络设备和网络链路的统计模型，模拟网络传 输流量，从而获得网络设计或优化所需要的网络性能数据的仿真技术。它具有全 新的模拟实验机理及在高度复杂的网络环境下得到高可信度结果的能力。通过网 络仿真，可为优化和扩容现有网络提供定量的分析数据。在进行新网络设计时， 网络仿真能根据服务等级协议进行网络预测，定量评估网络设计方案，特别适用 于大中型网络的设计。在协议算法的研究上，网络仿真能够进行早期排错，缩短 研发过程。总之，利用网络仿真软件进行网络设计、规划和研究已经是一门新兴 的行业。 网络仿真技术具备以下特点：全新的模拟实验机理，使其具有在高度复杂的 网络环境下得到高可信度结果的特点；网络仿真的预测功能是其他任何方法都无 法比拟的；使用范围广，既可以用于现有网络的优化和扩容，也可以用于新网络 的设计，而且特别适用于中大型网络的设计和优化；初期应用成本不高，而且建 好的网络模型可以延续使用，后期投资还会不断下降。 目前，网络仿真的应用包括： ( 1 )网络仿真能够为网络的规划设计提供可靠的定量依据。以往网络数据 是通过实际网络监测系统得到的，这些数据是在网络建设完成并运行 后得到的实际数据，需要对检测数据进行分析处理后才能得到结果， 事实上，此时要进行网络更改已经很困难了。而网络仿真技术能够迅 速地建立起现有网络的模型，方便地修改模型并进行仿真，获取特定 北京邮电大学硕士学位论文基于o p n e t 的路由协汉性能分析 网络的性能参数，这使得网络仿真非常适用于网络设计和规划。 ( 2 ) 网络仿真能够验证实际方案或比较多个不同的设计方案的优劣。即根 据设计方案建立模型，并模拟网络行为以获取定量的网络性能预测 数据，为方案的验证和比较提供可靠的依据。这里所指的设计方案 可以是网络拓扑结构、路由设计、业务配置等。 ( 3 ) 容量规划和服务等级协议的预测服务。对于网络的规划和设计者而 言，容量规划是其必须考虑的问题，现有的网络何时需要扩容，网 络的哪一部分最需要优先考虑，这是一个难度很大的工作。网络仿 真技术能够提供网络预测服务，根据网络用户和流量增长趋势的分 析，通过模拟实验提供准确的网络性能预测报告。网络预测服务包 括识别和预测网络设备瓶颈、服务器瓶颈和网络拥塞以及网络升级 的最佳时机等。在国外，容量规划已经成为一种预测兀需求、合理 利用i t 资源、降低升级成本的有效手段。 ( 4 ) 故障分析。网络仿真系统可以模拟实际网络中的各种故障，如链路中 断、服务器重启动等情况。因此对于可能出现的故障，通过仿真可 以知道在这种情况下用户将会受到怎样的影响，路由协议需要多长 时间收敛，路由跳数是否会增加太多，备用链路的带宽是否足够等。 ( 5 ) 网络仿真可以对新协议进行分析。协议的性能分析是很重要的环节。 数学建模是协议分析的重要方法，而模型正确性的验证又必须通过 仿真实验进行，所以网络仿真是进行新协议机制研究的重要手段。 仿真技术的应用日益广泛，网络仿真软件的开发和应用也逐渐被更多的人重 视。在国外，网络仿真技术的研究和应用已经有十多年的历史。网络仿真的用户 群包括研究人员、开发者、网络设计和规划者。 2 1 2 仿真的步骤及常见的仿真流程 网络仿真是一项复杂而细致的工作，要保证仿真结果的正确性，我们应遵循 以下进行仿真模拟的主要步骤【4 】： ( 1 ) 明确仿真目的。作为系统仿真的第一步，应该清楚仿真的目的，明确 要研究的问题。 ( 2 ) 理解系统。明确所要仿真系统的结构和构成系统模块之间的相互关 系。运行的业务和可能的数据量是仿真分析最为关键的一步，建模者 对系统理解的准确性将会影响所建模型的准确性。 ( 3 ) 选择需要建模的方面。网络模型包含的内容很广泛，在建立模型时， 北京邮电大学硕： 学位论文 基于0 p n e t 的路由协议性能分析 并不需要将系统所有方面都包含在模型中。突出重点、简化次要问题， 建立能反映问题的模型是研究问题的方法。建模者明确研究内容后应 有选择的突出研究重点。 定义输入和输出。在网络仿真中输入和输出通常是指网络业务或数据 量，正确确定业务量或数据量的概率分布、流量大小等是达到网络模 型可行度分析的关键。 确定网络模型。仿真软件是建立网络模型的基础。建模者必须能够熟 练的使用网络建模工具，并根据仿真系统分析的结果，确定系统中的 参数、变量及其相互之间的关系，构建仿真系统的模型。 确定输入。在初步建立的模型下输入业务数据。 可信度与模型的完善。初步建立的模型是否真实的反映要仿真的网 络，包括网络存在的缺陷，这就是所建模型可信度的问题。模型的可 信度取决于建模所用信息的“原材料( 先验知识、实验数据等) 是 否正确完备，将数学模型转化为仿真算法的仿真模型是否完善等。建 模中任何一个环节的失误，都会影响模型的可信度。在模型建立好以 后，对模型进行可信度检验是不可缺少的重要步骤。网络测量的先验 知识、检测工具是非常重要的。通过发现问题找出影响系统性能的原 因并进行修改，完善模型，这是一个多次重复的过程。 仿真结果是否足够详细，仿真结果要能够解释所研究的问题。仿真计 算是对所建立的仿真模型进行数值实验和求解的过程，不同的模型有 不同的求解方法。网络仿真通常采用概率分析并基于离散事件的仿真 方法，使得仿真过程变为一个数值实验的过程。要考虑所得的结果是 否能满足建模者分析问题的需要，在答案是否定的情况下需要调整模 型和输入数据量。 结果是否可用。本阶段是对仿真模型运行后所产生的数据进行分析， 其目的是从运行阶段所产生的数据中找出系统运行规律，对仿真系统 的性能做出评价，为系统方案的最终决策提供辅助支持。仿真结果的 分析通常采用统计学的分析方法，对仿真数据的可靠性、一致性、置 信度等做出判定。最终将仿真结果以动画、曲线、图表和文字等形式 形成仿真报告或论文。现代仿真软件广泛采用可视化技术，通过图形、 图表，甚至动画生动逼真的显示出被仿真对象的各种状态，使模拟仿 真的输出信息更加丰富、详尽，更加有利于对仿真结果的科学分析。 通过这些分析，建模者能够对结果是否达到统计的稳定状态有一个明 确的结论。 ) ) ) ) ) ) 4 5 6 7 8 9 ( ( ( ( ( ( 北京邮电大学硕士学位论文 基于0 p n e t 的路由协议性能分析 图2 1 所示的是一般的仿真流程。其中，理解系统和理解仿真目的是建立准 确模型的关键，从建模步骤中也可以看出，要对仿真结果进行分析。因为并不是 每次产生的结果都是可用的，需要分析其是否准确，在结果出现问题时需要审核 模型，修改模型。所以说建立准确的模型是一个循环的过程。 2 2o p n e t 简介 否瓦 否 是 图2 1仿真的流程 是 是 一、 ( 竺查 ) 、- - 。一 目前有许多仿真软件，区分它们的主要是准确性、速度、易用性以及费用。 大部分仿真软件提供了多协议和模块化框架，是一个通用的仿真环境。这些仿真 软件有软件公司开发的商用软件，也有各大学和研究所自行开发的科研用软件。 商业软件价格昂贵，不具开放性，但提供了较全面的建模和协议支持。科研用软 件是一些具有开放性的软件包，可作为网络研究的共享资源，但功能不如商用软 件完善。商用软件有o p n e t ，b o n e s 和c o m n e t 等，科研用软件有n s ， g 1 0 m o s i m 和s s f n e t 等。 在计算机网络仿真软件中，较为突出的是o p n e t 仿真平台。作为网络规划、 仿真及分析工具的高端产品，在通信、国防及数据网络领域已经被广泛认可和采 用。 o p n e t 软件是由o p n e tt e c h n o l o 西e s ，i n c 公司开发的面向网络领域专业人 士的一款仿真软件。o p n e t 产品帮助客户进行网络结构、设备和应用的设计、 建设、分析和管理。0 p n e t 产品主要针对三类客户，分成四个核心系列。三类 北京邮电大学硕七学位论文基于o p n e t 的路由协议性能分析 客户是指：网络服务提供商、网络设备制造商和一般企业。四个核心产品包括喳1 ： ( 1 ) s pg u m ：是面向网络服务提供商的智能化网络管理软件。其主要完 成对2 至3 层，包括路由器、交换机、协议和数据流的建模。内嵌的 智能系统可以帮助客户进行网络规划、排错、验证以及部署流量工程， s pg u m 是o p n e t 公司的最新产品。 ( 2 ) i tg 唧：是o p n e t 公司开发的一个核心网络仿真软件包，专门为网 络专业技术人员和管理人员进行网络规划、设计、建设以及运营提供 决策支持。i tg l l m 是一个功能齐全、性能优良的网络预测及分析工 具软件包。它的主要作用是快速预测网络上的任何变化，根据网络服 务水平协议，指出可能存在的瓶颈并提出多种解决方案。 ( 3 ) w d mg u r u ：用于波分复用光纤网络的分析、评测，使得业务提供商 和网络设备制造商设计出健全的且节约成本的光纤网络。w d mg 唧 提供详细的硬件成本信息和配置信息，也可以整体展示规划网络不同 层面的变更。w d mg u m 还通过计算发生故障的可能性以及预测相应 的损失来帮助业务提供商减少运营风险。 ( 4 ) o p n e tm o d e l e r ：这是o p n e t 全线产品的核心。其为技术人员提供 了一个网络技术和产品开发平台，可以帮助他们设计和分析网络、网 络设备和通信协议。 作为广泛应用的系统开发平台，o p n e tm o d e l e r 有如下主要特点： ( 1 ) 层次化、模块化的建模机制。最下层是进程域模型，用有限状态机、 c 或c + + 以及o p n e t 自带的核心函数实现各种协议算法。第二层是 节点域，由能实现不同功能的模块组成，反映设备的硬件和软件特性。 最上层利用各种网络设备模型，映射现实网络。 ( 2 ) 面向对象的建模方式。每类节点用相同的节点模型，再针对不同的对 象设置特定的参数。 ( 3 )丰富的模型库。o p n e tm o d e l e r 提供标准模型库，包括a t m 、e m e m e t 、 t c p i p 、f d d i 、x 2 5 、f r a i n er e l a v 等现有设备的标准模型库，同时 还有3 c o m 、c i s c o 、s u l l 等多个厂家的现有设备。o p n e t 还提供包 括无线模块、并行仿真、高级体系构架以及网络分析工具等附加模块。 ( 4 ) 图形化的建模方式。 ( 5 ) 灵活的建模机制。在进程域中，采用有限状态机和c c + + 以及o p n e t m o d e l e r 自身提供的4 0 0 多个核心函数可以实现自定义设备、或根据 协议、算法，开展协议研究等。o p n e tm o d e l e r 中的源代码完全开放， 用户可以根据需要添加、修改源代码。同时就模型库而言，o p n e t 北京邮电大学硕士学位论文基于o p n e t 的路由协议性能分析 仿真模型库与其网络仿真引擎是分离的。这种方式方便了模型的修 改、升级。o p n e t 由专业部门负责对模型库进行及时更新。同时客 户还可以根据自己的要求定制模型。 ( 6 ) 自动生成仿真。 ( 7 ) 统计数据的生成。仿真期间，用户能够自定义要收集的统计数据。仿 真后统计数据以标量或矢量的方式表示。 ( 8 ) 综合分析工具。在0 p n e tm o d e l e r 中，包含如a c e 、网络医生、流 分析等多个数据分析工具。这些工具为网络仿真设计的准确性、可信 性提供网络诊断。同时还可以进行详细的网络性能分析。 ( 9 ) 动画。o p n e t m o d e l e r 可以在仿真中或仿真后对诸如网络中的数据流 的传输过程进行生动的演示，生动的展示模型的动态过程。 2 3o p n e t 仿真机制 目前o p n e t 用于仿真网络方面可以进行端到端( e n d t o e i l d ) 性能分析、确 定增加应用和用户对网络的影响、准确的规划和伸缩性分析、使网络设计得到最 优的性价比、对主要设备完成基线预算调整等应用，另外o p n e t 还可用于网 管，可以识别网络设备的瓶颈、识别服务器的瓶颈、识别网络拥塞、新网络的部 署、服务器重定位、租用线路的需求及使用情况、服务质量( q o s ) 要求。下面将 详细介绍o p n e t 的仿真机制哺1 。 2 3 1 离散事件仿真机制 o p n e t 采用基于离散事件驱动的仿真机制。事件是网络模型状态的变化或 者某种决策。只有模型状态变化，模拟机才进行仿真，状态不发生变化的时间段， 不进行仿真。仿真的时间是离散的，每当有一个事件出现后时间往前推进，也就 是时间是跳跃前进的。一个仿真时间点上可以同时出现多个事件，事件的发生可 以有疏密的区别。 仿真中的各个模块之间通过事件中断方式传递事件信息。每当出现一个事件 中断时都会触发一个描述通信网络系统行为或者系统处理的进程模型的运行。通 过离散事件驱动的仿真机制实现了在进程级描述通信的并发性和顺序性，再加上 事件发生时刻的任意性，决定了可以仿真计算机和通信网络中的任何情况下的网 络状态和行为。 北京邮电大学硕士学位论文基于0 p n e t 的路由协议性能分析 2 3 1 1 仿真调度机制 在o p n e t 中使用基于事件列表的调度机制，合理安排调度事件，以便执行 合理的进程来仿真网络系统的行为。调度的完成通过仿真软件的仿真核和仿真工 具模块以及模型模块来实现。 ( 1 ) 每个仿真都维持一个单独的全局时间表，其中的每个项目和执行都受 到全局仿真时钟的控制，仿真中以时间为序调度事件列表中的事件， 需要先执行的事件位于表的头部。当一个事件执行后将从事件列表中 删除该事件。 ( 2 ) 仿真核作为仿真的核心管理机构，采用高效的办法管理维护事件列 表。并且按顺序通过中断将在队列头的事件交给指定模块。同时接收 各个模块送来的中断，并把相应事件插入事件列表中间。仿真控制权 伴随中断不断地在仿真核与模块之间转移。 ( 3 )当事件同时发生时，仿真核按照下面两种办法来安排事件在事件列表 中的位置：一是按照事件到达仿真核的时间先后顺序；二是按照事件 的重要程度。 2 3 1 2 仿真系统中事件的类型 在o p n e t 中定义了1 3 种类型的事件种类，其中一些事件的类型是面向 某些特定的事件行为，而大多数事件类型都是面向通用的事件行为。事件类型及 其应用如表2 1 所示。 表2 1 仿真事件的类型及应用 事件类型 事件应用 a c c e s s由一个进程向另外一个进程产生请求 b e 舀ns i m u l a t i o n 开始仿真的通知，使得各个进程可以进行初始化 e n ds i m u l a t i o n仿真结束的通知，允许进程进行统计量的记录 f a i l u r e关于节点和链路的错误或故障的异步通知 m u l t i c a s t 同时作用于整个系统种的多个处理器和队列模块 p r o c e d u r ec a l l 用户定义的在某个事件可以调用处理过程 p r o c e s s 直接作用于模块中的特定进程，而不是跟或其他注册的进程 r e c o v e d r 关于j 1 ，点和链路的错误或故障恢复的异步通知 r e g u l a r 自动的、周期的行为，如总线的循环周期行为 i 乇锄o t e 不同：i 了点内部的模块间传递命令请求等信息，不需物理链路连接 北京邮电大学硕士学位论文基于o p n e t 的路由协议性能分析 s e i f 定时器和延时行为 s t a t i s t i c 异步统计线值变化的通知，信号量，数值信号 s n e 锄 同一节点